Lezioni di
biochimica
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Lezione 3
Nucleotidi
e acidi nucleici
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© Zanichelli editore, 2014
Gli acidi nucleici contengono
l'informazione genetica (I)
L’acido ribonucleico (RNA) e l'acido
desossiribonucleico (DNA) sono i depositari
dell'informazione genetica.
Essi sono polimeri, ovvero macromolecole
costituite dalla ripetizione di unità semplici
(monomeri). Le unità degli acidi nucleici sono
i nucleotidi.
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Gli acidi nucleici contengono
l'informazione genetica (II)
L'ordine in cui sono disposti i singoli nucleotidi
nella catena polimerica dell'acido nucleico
specifica il loro contenuto di informazione
genetica.
Negli organismi viventi il DNA serve a
immagazzinare e trasmettere alla progenie
l'informazione genetica. L'RNA, invece, serve a
rendere disponibile l'informazione per la sintesi
delle proteine o svolge ruoli di regolazione.
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I nucleotidi: ribosio e
desossiribosio (I)
L’unità base degli acidi nucleici sono i nucleotidi.
I nucleotidi sono costituiti da due molecole chimiche
differenti: uno zucchero e una base azotata.
Lo zucchero ha la seguente formula generale:
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I nucleotidi: ribosio e
desossiribosio (II)
Nell'RNA, al carbonio C2 dello zucchero sono legati
un idrogeno e un gruppo –OH: è il D-ribosio.
Nel DNA, in posizione C2 sono legati due idrogeni
a formare il 2-desossi, D-ribosio.
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I nucleotidi: struttura generale (I)
Essendo zuccheri ciclici, il carbonio C1 del ribosio
e del desossiribosio è anomerico e lega la base
azotata con legame β-N-glicosidico: tutti i
nucleotidi sono quindi β-anomeri rispetto allo
zucchero.
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I nucleotidi: struttura generale (II)
La molecola formata da base + zucchero è detta
nucleoside. Si ha un ribonucleoside se lo zucchero
è il D-ribosio (RNA) o un desossiribonucleoside se
lo zucchero è il 2-desossi-D-ribosio (DNA).
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I nucleotidi: struttura generale (III)
Le catene di DNA e RNA sono formate dai derivati
5'-fosfato dei nucleosidi, ovvero molecole che hanno
un gruppo fosforico legato al carbonio C5 dello
zucchero. Questi nucleosidi 5'-monofosfati sono detti
nucleotidi.
Struttura generica di un
nucleotide
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I nucleotidi: le basi azotate (I)
I nucleosidi contengono principalmente cinque
differenti basi azotate: tre di tipo purinico e due di
tipo pirimidinico.
Le basi pirimidiniche derivano dalla pirimidina, un
composto eterociclico formato da un anello a 6 atomi.
La loro formula generale è:
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I nucleotidi: le basi azotate (II)
Le basi puriniche derivano dalla purina, formata da
due anelli condensati, e hanno la seguente formula
generale:
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I nucleotidi: le basi azotate (III)
Le basi puriniche presenti nei nucleosidi sono:
• l’adenina;
• la guanina.
Queste basi si trovano sia nei ribo- sia nei
desossiribonucleosidi (quindi sia nell’RNA sia nel
DNA).
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I nucleotidi: le basi azotate (IV)
Le basi pirimidiniche presenti nei nucleosidi sono:
• la timina che si trova solo nel DNA;
• la citosina che si trova sia nell’RNA che nel DNA;
• l'uracile che si trova solo nell'RNA.
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I nucleotidi: nomenclatura
I nucleosidi (e i corrispondenti nucleotidi fosforilati)
prendono il nome dalla base azotata e dallo zucchero,
secondo lo schema sottostante:
Zucchero
Base
Nucleoside
Acido Nucleico
D-ribosio
Adenina
Adenosina
RNA
2-desossi-D-ribosio
Adenina
Desossiadenosina
DNA
D-ribosio
Uracile
Uridina
RNA
2-desossi-D-ribosio
Timina
Timidina
DNA
D-ribosio
Guanina
Guanosina
RNA
2-desossi-D-ribosio
Guanina
Desossiguanosina
DNA
D-ribosio
Citosina
Citidina
RNA
2-desossi-D-ribosio
Citosina
Desossicitidina
DNA
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I nucleotidi: formula di struttura
Nucleotidi purinici
O
Nucleotidi pirimidinici
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Gli acidi nucleici sono polimeri
di nucleotidi monofosfati
L'RNA e il DNA sono formati
da catene di nucleotidi
5'-monofosfati, legati tra loro
da un legame
5' -3' fosfodiesterico,
ovvero tra il gruppo fosforico
al C5 dello zucchero di un
nucleotide e il gruppo –OH al
C3 dello zucchero del
nucleotide adiacente.
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Acidi nucleici: struttura generale
Da un punto di vista chimico, nel polimero di DNA o
RNA si può distinguere uno scheletro zuccherofosfato, costituito dai pentosi legati tra loro dai gruppi
fosforici, che conferisce la struttura portante.
DNA
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scheletro zuccherofosfato
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Acidi nucleici: struttura generale
Le basi non fanno parte della struttura portante, ma
possono essere considerate delle catene laterali,
analogamente ai gruppi R degli amminoacidi nelle
catene polipeptidiche.
Le basi conferiscono a un acido nucleico molte delle
sue caratteristiche.
RNA
Le basi dei
nucleotidi sono
analoghe a gruppi
funzionali
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Il DNA: la doppia elica
In natura, il DNA si trova sotto forma di due filamenti
appaiati. I due filamenti di DNA assumono la forma
di una doppia elica.
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Il DNA: appaiamento di basi
Gli appaiamenti non sono casuali: l'adenina può
appaiarsi solo alla timina, formando due legami
idrogeno; la citosina si appaia solo alla guanina,
formando tre legami a idrogeno.
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Il DNA: complementarietà
A causa degli appaiamenti obbligati tra le basi,
la sequenza (cioè l'ordine in cui si susseguono i
nucleotidi nel polimero) di un filamento della
doppia elica non potrà essere identica a quella
dell'altro filamento, ma sarà complementare.
In virtù della complementarietà, conoscendo la
sequenza di un filamento è possibile ricavare
quella del filamento opposto.
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Il DNA: antiparallelismo
Si considera primo nucleotide di un filamento di DNA
quello con l'estremità 5'-fosfato non impegnata in un
legame; l'ultimo sarà quello con l'estremità 3'-OH libera.
Per via della complementarietà delle basi, i filamenti
opposti di DNA sono orientati in senso antiparallelo,
ovvero alla sequenza da 5' a 3' di un filamento,
corrisponde la sequenza complementare dell'altro ma
orientata da 3' a 5'.
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I diversi tipi di RNA (I)
Nella cellula esistono diversi tipi di RNA con specifiche
funzioni:
• RNA messaggero (mRNA): contiene l'informazione
corrispondente a una proteina e ne rende possibile la
sintesi da parte del ribosoma;
• RNA ribosomiale (rRNA): essenziale per la
formazione del ribosoma. È l'RNA più abbondante
nella cellula;
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I diversi tipi di RNA (II)
• RNA transfer (tRNA): è un corto RNA che trasporta
gli aminoacidi al ribosoma. Esistono tRNA specifici
per ciascun aminoacido;
• microRNA (miRNA): sono RNA che non codificano
per alcuna proteina, ma si legano agli mRNA
inibendone la funzione.
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RNA: aspetti strutturali
L'RNA è presente nelle cellule come singolo
filamento. Le sequenze complementari tendono
ad appaiarsi creando strutture secondarie, ovvero
corti tratti di RNA a doppia elica. Queste strutture sono
essenziali per le funzioni dell'RNA. Un esempio di RNA
altamente strutturato è il tRNA.
La struttura del tRNA
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La sintesi degli acidi nucleici:
le polimerasi
• Il DNA e l'RNA nella cellula sono sintetizzati dai
nucleotidi trifosfati e da un filamento di DNA che
funge da stampo.
• Gli enzimi per la sintesi sono le polimerasi e le DNA
polimerasi sono specifiche nell'unire
i desossinucleotidi trifosfati, generando DNA.
• Le RNA polimerasi sono specifiche per
i ribonucleotidi trifosfati e quindi sintetizzano RNA.
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Le DNA polimerasi (I)
Le DNA polimerasi necessitano di tre elementi:
• un filamento di DNA stampo;
• un corto innesco (primer) di DNA complementare al
filamento stampo, che fornirà l'estremità 3'-OH di
partenza;
• una miscela dei quattro desossinucleotidi trifosfati.
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Le DNA polimerasi (II)
La DNA polimerasi si lega al filamento stampo a livello
dell'innesco complementare, poi lega il nucleotide
trifosfato che porta la base complementare a quella
presente sul filamento stampo. Alla fine si forma un
legame fosfodiesterico, con liberazione dei due fosfati
non utilizzati (pirofosfato) e allungamento della catena
di DNA di un nucleotide.
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Le RNA polimerasi
Le RNA polimerasi funzionano in maniera analoga,
ma non necessitano di un primer.
Il posizionamento della RNA polimerasi sul filamento
di DNA da copiare è guidato sia dalla sequenza dello
stampo, sia da proteine accessorie che legano la
polimerasi.
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La replicazione del DNA:
generalità (I)
• Ogni cellula, prima di dividersi, deve duplicare il
suo DNA per trasmettere l'informazione genetica alle
cellule figlie.
• Questo è possibile grazie a un complesso di
numerosi enzimi e proteine.
• L'enzima centrale è la DNA polimerasi, che
genera una copia complementare di ciascun
filamento del DNA originale.
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La replicazione del DNA:
generalità (II)
Da una doppia elica parentale
saranno generate due doppie
eliche, di cui un filamento sarà
neosintetizzato e uno sarà quello
della coppia originale: per questo
la replicazione del DNA viene
detta semiconservativa.
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La replicazione del DNA:
meccanismo (I)
La DNA polimerasi necessità di altri enzimi:
• primasi (che sintetizza il primer)
• elicasi (che aprono la doppia elica parentale);
• ligasi (che uniscono i diversi segmenti neosintetizzati
per ricostituire l'integrità del cromosoma).
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La replicazione del DNA:
meccanismo (II)
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DNA e codice genetico (I)
L'ordine dei nucleotidi, cioè
l'informazione necessaria alla
sintesi delle proteine, è innanzitutto
copiata nell'mRNA, che esce dal
nucleo e si lega al complesso
proteico che sintetizza le proteine, il
ribosoma.
L'informazione genetica utilizza un codice a triplette:
tre nucleotidi specificano un singolo aminoacido.
Ciascuna tripletta prende il nome di codone.
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DNA e codice genetico (II)
Per sintetizzare una proteina di 100 aminoacidi
servono almeno 300 nucleotidi, a cui vanno aggiunte
le sequenze che indicano l'inizio e la fine della
sequenza codificante. Nel codice, per ogni
amminoacido esiste più di un codone, ci sono tre
codoni di fine sequenza e uno solo di inizio.
Tabella del codice
genetico
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La sintesi proteica (I)
• La fase in cui l'informazione genetica è copiata dal
DNA nell'mRNA è detta trascrizione e avviene nel
nucleo grazie all'RNA polimerasi.
• La fase in cui la proteina è sintetizzata a partire
dall'mRNA è detta traduzione e avviene nel
citoplasma, a livello dei ribosomi, localizzati in
prossimità
del reticolo endoplasmatico rugoso.
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La sintesi proteica (II)
Sia la trascrizione sia la traduzione hanno tre fasi:
1) inizio;
2) allungamento;
3) terminazione.
RNA polimerasi e ribosoma necessitano quindi di
segnali che indichino il punto di inizio e di fine,
rispettivamente, dell'mRNA e della catena
polipeptidica.
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La sintesi proteica (III)
• I segnali per la RNA polimerasi consistono di
speciali sequenze di DNA chiamate promotori e
terminatori.
• Il segnale di inizio per il ribosoma è il codone per
la metionina AUG.
• Il segnale di terminazione per il ribosoma è dato dai
codoni di stop: UAA, UAG, UGA.
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La sintesi proteica (IV)
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